Ultravioletto

Robot e macchine strane hanno utilizzato una particolare banda di luce ultravioletta per sterilizzare le superfici che potrebbero essere contaminate dal coronavirus. Coloro che devono decontaminare grandi spazi, come stanze d’ospedale o cabine di aerei, utilizzano grandi lampade al mercurio ad alto consumo di energia per produrre luce ultravioletta-C. Le aziende di tutto il mondo stanno lavorando per migliorare le capacità dei LED di produzione UV-C, per offrire un’alternativa più compatta ed efficiente. All’inizio di questo mese, Seoul Viosys ha mostrato quella che si dice sia la prima sterilizzazione al 99,9% di SARS-COV-2, il coronavirus che causa COVID-19, utilizzando LED ultravioletti.

I LED UV sono mortali per virus e batteri, perché la banda C con lunghezza d’onda di 100-280 nanometri distrugge il materiale genetico. Sfortunatamente, viene anche fortemente assorbito dall'azoto presente nell'aria, quindi le fonti devono essere potenti per avere un effetto a distanza. (L'aria è una barriera così forte che i raggi UV-C del sole non raggiungono la superficie terrestre.) Lavorando con i ricercatori della Korea University, a Seoul, l'azienda ha dimostrato che i suoi moduli LED Violed potrebbero eliminare il 99,9% dei virus SARS-COV -2 utilizzando una dose di 30 secondi da una distanza di tre centimetri.

Sfortunatamente, l’azienda non ha rivelato quanti dei suoi LED sono stati utilizzati per raggiungere questo obiettivo. Supponendo che lui e i ricercatori universitari utilizzassero un singolo modulo LED integrato Violed CMD-FSC-CO1A, una dose di 30 secondi avrebbe fornito al massimo 600 millijoule di energia. Questo è in qualche modo in linea con le aspettative. Uno studio sulla capacità degli UVC di uccidere i virus dell’influenza A sulle maschere respiratorie N95 ha indicato che circa 1 joule per centimetro quadrato farebbe il lavoro.

Sebbene la distanza di 3 centimetri possa funzionare in spazi ristretti come un filtro dell'aria o un depuratore d'acqua (prodotti già utilizzati dai LED UV), non è adatta ai robot di sterilizzazione delle stanze d'ospedale. Lo sterilizzatore per cabina di aereo GermFalcon, ad esempio, deve inondare la cabina di un aereo con una luce abbastanza forte da uccidere il virus in pochi secondi da una distanza di circa 30 centimetri, ha detto il mese scorso il suo inventore, il dottor Arthur Kreitenberg, a IEEE Spectrum. Gli attuali LED UV-C non possono produrre abbastanza luce per il lavoro, ha affermato. Ma con le lampade al mercurio di GermFalcon, che misurano la potenza in watt, tale potenza ha un costo elevato in termini di energia e volume. Il pacco batterie al ferro-fosfato del sistema deve fornire 100 ampere per produrre la potenza UV necessaria.

I potenziali vantaggi dei LED UV-C rispetto alle lampade al mercurio includono la mancanza di mercurio tossico, una migliore robustezza, una durata più lunga, un avvio più rapido e un’emissione a una varietà di lunghezze d’onda, che possono aiutare nel loro ruolo germicida. Ma è il loro potenziale di efficienza che potrebbe essere più importante.

Al momento, le lampade al mercurio hanno una migliore efficienza della presa a muro (alimentazione elettrica in ingresso rispetto a quella ottica in uscita) rispetto ai LED UV-C attualmente sul mercato. Secondo Jae-hak Jeong, ricercatore tecnico e vicepresidente di Seoul Semiconductor, società madre di Seoul Viosys, l'efficienza del wall plug degli odierni LED UV-C è solo del 2,8%, con sistemi efficienti del 3,3% in fase di ricerca e sviluppo. Le lampade al mercurio vantano il 15-35%.

Si prevede che il vantaggio della lampada al mercurio non duri, perché i ricercatori si aspettano che i LED UV-C seguano un percorso di miglioramento dell’efficienza simile a quello dei LED blu dell’illuminazione a stato solido. Tuttavia, i dispositivi UV-C hanno ancora molta strada da fare. I LED blu hanno tipicamente un’efficienza quantica interna, la frazione di elettroni iniettati in una parte specifica del LED che determina la generazione di fotoni, di circa il 90%. Per gli UV-C è del 30-40%, dice Jeong. Per l’efficienza quantistica esterna – il rapporto tra i fotoni emessi e gli elettroni che passano attraverso il LED – il confronto è ancora peggiore. Circa il 70% per i LED blu contro il 10-16% per i dispositivi UV-C.

Secondo Jeong, per aumentare queste cifre saranno necessari miglioramenti sia al processo di fabbricazione che all'epitassia, la crescita del cristallo semiconduttore su cui sono realizzati i LED. Questi LED sono solitamente costruiti utilizzando l'epitassia per far crescere uno strato di nitruro di alluminio cristallino sopra un wafer di zaffiro. I difetti nel cristallo rappresentano il principale limite alle prestazioni dei LED, quindi migliorare il processo di epitassia è un percorso verso LED più luminosi.